基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱方案
0. 引言
在世界能源短缺, 環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天,充分開(kāi)發(fā)并利用太陽(yáng)能是世界各國(guó)ZF積極實(shí)施的能源戰(zhàn)略之一。太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用符合這一戰(zhàn)略決策的發(fā)展趨勢(shì)。然而，LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問(wèn)題的影響。
對(duì)于LED照明系統(tǒng)來(lái)講，LED在工作過(guò)程中只能將一少部分的電能轉(zhuǎn)化成光能，而大部分的能量被轉(zhuǎn)化成了熱能。隨著LED功率的增大，發(fā)熱量增多，如果散熱問(wèn)題解決不好，熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，使得芯片內(nèi)部溫度越來(lái)越高。當(dāng)溫度升高時(shí)將造成以下影響[1]：⑴工作電壓減少；光強(qiáng)減少；光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。⑵ 降低LED驅(qū)動(dòng)器的效率、損傷磁性元件及輸出電容器等的壽命，使LED驅(qū)動(dòng)器的可靠度降低。⑶ 降低LED的壽命，加速LED的光衰。 LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要障礙。目前，在解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題上主要采用的方法有：調(diào)整LED的間距；合理加大LED與金屬芯印制板間距離；打孔方式；安裝風(fēng)扇。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中受到許多客觀條件的影響，散熱效果并不是很理想。
半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷[2],是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)。當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,可靠性也比較高。利用半導(dǎo)體制冷的方式來(lái)解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
1.半導(dǎo)體制冷的工作原理
1934年法國(guó)人帕爾帖發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象,放熱或吸熱由電流的大小來(lái)定。
Q=aTI
上式中：Q為放熱或吸熱功率；a為溫差電動(dòng)勢(shì)率；T為冷接點(diǎn)溫度；I為工作電流。
基于帕爾帖效應(yīng)原理，帕爾帖效應(yīng)制冷也叫溫差制冷。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的主要原理是基于帕爾貼效應(yīng)。半導(dǎo)體制冷是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn),采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來(lái)制冷,能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能,效率較高。目前制冷器所采用的半導(dǎo)體材料最主要為碲化鉍[3],加入不純物經(jīng)過(guò)特殊處理而成N型或P型半導(dǎo)體溫差元件，它的工作特點(diǎn)是一面制冷一面發(fā)熱。
根據(jù)量子理論，金屬與半導(dǎo)體材料具有不同的能級(jí)、不同的接觸電位差和不同的載荷體。如圖1所示，P型與N型半導(dǎo)體之間用金屬板連接，另一端通過(guò)金屬板構(gòu)成圖中電路，當(dāng)合上電鍵k時(shí)，就會(huì)有圖中的電流通過(guò)PN結(jié)，這樣就會(huì)在半導(dǎo)體與金屬板相連的上端形成帕爾帖冷效應(yīng)，下端形成帕爾帖熱效應(yīng)[4]。
圖1 半導(dǎo)體制冷基本原理圖
2.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)構(gòu)成
在半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)中，制冷片采用TEC1-12703型溫差電制冷組件，根據(jù)照明系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用具有可視性、堅(jiān)韌性、耐高溫等特性的有機(jī)玻璃作為制冷器壁。為了更好地解決太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，利用控制器來(lái)有效的控制半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。
